<p>QC 20120928</p>

Η απόκριση ενός διάκενου αέρα όταν υποβάλλεται σε μια καταπόνηση μέσω μίας κρουστικής τάσης με ορισμένο σχήμα, μέγεθος και όλα τα λοιπά χαρακτηριστικά της είναι ένα στοχαστικό φαινόμενο που σημαίνει ότι μπορεί να συμβεί ή να μη συμβεί διάσπαση. Ο σκοπός της εργασίας μας ήταν να μελετήσουμε την τάση διάσπασης και την τυπική απόκλιση διακένων σε σχέση με τη μεταβολή των χαρακτηριστικών της επιβαλλόμενης κρουστικής τάσης. Όταν μία ποσότητα αέρα βρεθεί μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, όλα τα ιόντα και ηλεκτρόνια αποκτούν, εκτός από την ακατάστατη θερμική τους κίνηση και μια κατευθυνόμενη ταχύτητα που εξαρτάται από το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου. Για να αρχίσει ιονισμός από κρούσεις ηλεκτρονίων, που είναι ο βασικός μηχανισμός για τη διάσπαση του αέρα, χρειάζεται ένα αρκετά υψηλό πεδίο που πρέπει να υπερβαίνει τα 25 kV/cm. Στο ομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο, η αναγκαία πεδιακή ένταση για την έναρξη ιονισμού κρούσεων αποκαθίσταται ταυτόχρονα σε όλα τα σημεία του διακένου κι έτσι μόλις αρχίσει ο ιονισμός, το εξωτερικά επιβαλλόμενο πεδίο δημιουργεί σχεδόν ακαριαία συνθήκες για πολύ ταχεία εξάπλωση της εκκένωσης και ολοκλήρωση της διάσπασης. Σε ένα ανομοιογενές διάκενο μήκους d, πεδιακή ένταση αρκετά υψηλή για την έναρξη ιονισμού εμφανίζεται μπροστά στο ένα ή και στα δυο ηλεκτρόδια για μια τάση Uα < 25[kV/cm] * d[cm] και γενικά είναι διαφορετική στα διάφορα σημεία του διακένου. Παρόλο που η έναρξη ιονισμού δεν αποτελεί ικανή συνθήκη για τη διάσπαση ανομοιογενούς διακένου, ανομοιογενή διάκενα μπορεί να διασπώνται σε τάση μικρότερη από αυτή που απαιτείται για τη διάσπαση ομοιογενούς διακένου και η διάσπαση τους πραγματοποιείται σε τρεις φάσεις: τη φάση της κορόνα, τη φάση του οχετού προεκκένωσης και της τελικής γεφύρωσης. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Πανεπιστημίου Πατρών και τα τρία διάκενα (σχήματα 1, 2, 3) στα οποία πραγματοποιήθηκαν τα αντίστοιχα πειράματα είναι: Σχήμα 1. Διάκενο ακίδα – πλάκα Σχήμα 2. Διάκενο ακίδα –σφαίρα Σχήμα 3. Διάκενο σφαίρα – σφαίρα το διάκενο ακίδας - πλάκας με απόσταση διακένου d = 25cm (ακίδα → ράβδος με απόληξη κώνο 15°), το διάκενο ακίδας – σφαίρας με απόσταση διακένου d = 9.5cm και διάμετρο σφαίρας D = 10cm (ακίδα → ράβδος με ημικυκλική απόληξη r =5mm) και το διάκενο σφαίρας – σφαίρας με διάκενο μεταξύ των σφαιρών d = 3cm και διάμετρο σφαιρών D = 10cm. Για την πραγματοποίηση της διαδικασίας τοποθετήθηκαν στην κρουστική γεννήτρια του εργαστηρίου αντιστάσεις διαφόρων τιμών. Με τη μεταβολή της αντίστασης μετώπου και της αντίστασης ουράς της γεννήτριας μεταβάλλαμε το χρόνο μετώπου Tcr και το χρόνο ουράς Tq αντίστοιχα της ληφθείσας κρουστικής τάσης. Έτσι πραγματοποιώντας μετρήσεις για κάθε κρουστική τάση πάνω στο εκάστοτε διάκενο πήραμε για διαφορετικές τάσεις διάσπασης την αντίστοιχή πιθανότητα διάσπασης. Οι τάσεις διάσπασης που προέκυψαν κανονικοποιήθηκαν με τους συντελεστές διόρθωσης υγρασίας και πυκνότητας του αέρα, έγινε δηλαδή αναγωγή των τιμών σε κανονικές συνθήκες. Έπειτα, με τη χάραξη ευθειών πάνω σε φύλα κανονικής κατανομής σύμφωνα πάντα με τα διορθωμένα πειραματικά σημεία, προέκυψε μία πρώτη προσέγγιση της τιμής της τάσεως U50% και της τυπικής απόκλισης σ. Αυτές οι τιμές χρησιμοποιήθηκαν σαν αρχικές σε ένα πρόγραμμα σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN, το οποίο υλοποιούσε τη μέθοδο της μέγιστης πιθανοφάνειας, προκειμένου να προκύψει με μεγαλύτερη ακρίβεια η τιμή της τάσης διάσπασης U50%, η τυπική απόκλιση σ και τα όρια αξιοπιστίας τους. Οι τελικές τιμές της τάσης διάσπασης και της τυπικής απόκλισης, που προέκυψαν από την εκτέλεση του προγράμματος μας, ομαδοποιήθηκαν σε πίνακες και με τη χρήση του OriginPro 8 λάβαμε τα τελικά διαγράμματα που μας βοήθησαν στην εξαγωγή συμπερασμάτων μέσω των κατάλληλων συγκρίσεων. Με την παρατήρηση των διαγραμμάτων προέκυψε ότι η τάση διάσπασης U50% και για τα τρία διάκενα μειώνεται, όσο ο χρόνος μετώπου Tcr της επιβαλλόμενης κρουστικής τάσης αυξάνει. Συνεπώς οι κρουστικές τάσεις που έχουν μεγάλη διάρκεια μετώπου αποτελούν πιο σοβαρή καταπόνηση για τα διάκενα μας απ’ ότι αυτές με μικρή διάρκεια και τα αντίστοιχα διάκενα αέρα που καταπονούνται με αυτές διασπώνται σε μικρότερη τιμή τάσης. Για το διάκενο ακίδας - πλάκας το διάστημα τιμών από την τάση υπό την οποία η πιθανότητα διάσπασης είναι περίπου μηδενική P≈0% μέχρι την τάση όπου η πιθανότητα διάσπασης είναι βέβαιη P100% είναι μεγαλύτερο σε σχέση με το αντίστοιχο διάστημα τιμών για το διάκενο ακίδας – σφαίρας που με τη σειρά του είναι μεγαλύτερο από αυτό για το διάκενο σφαίρας – σφαίρας. Επίσης συμπεράναμε ότι το διάκενο ακίδας – πλάκας παρουσιάζει τη χαμηλότερη μέση πεδιακή ένταση διάσπασης σε kV/cm, με το διάκενο ακίδα – σφαίρα να το ακολουθεί. Το διάκενο σφαίρα – σφαίρα παρουσιάζει τη μεγαλύτερη μέση πεδιακή ένταση διάσπασης σε kV/cm, από τα άλλα δύο οπότε είναι εκείνο που διασπάται δυσκολότερα, με τη στιβαρότητα του να το κάνει ιδιαίτερα σημαντικό. Τέλος το μήκος του διακένου επηρεάζει την τάση διάσπασης και μάλιστα όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος του διακένου τόσο μεγαλύτερη θα είναι αντίστοιχα και η τάση διάσπασης του, τα δύο αυτά μεγέθη είναι ανάλογα μεταξύ τους. / The response of an air gap subjected to stress through a voltage impulse with a certain shape, size and all other features is a reflective phenomenon, which means that a breakdown may happen or not. The purpose of this essay was to study the breakdown voltage and the standard deviation of gaps in relation to the change of the characteristics of the imposed impulse voltage. When a quantity of air is found in an electric field, all ions and electrons acquire, apart from their chaotic thermal motion, a directed velocity, which depends on the size of the electric field. To start ionization by electron impact, which is the main mechanism for the breakihg down of air, a sufficiently high field, exceeding 25kV/cm, is required. In a homogeneous electric field, the necessary field strength-power for initiating impact ionization is restored simultaneously at all points of the gap, so once the ionization begins, the externally imposed field almost instantaneously creates the conditions for the very rapid spread of the discharge and completion of the breakdown. In an inhomogeneous gap with a length of d cm, a sufficiently field strength-power to start ionization occurs in front of one or both electrodes for a voltage Ua < 25 [kV/cm] * d [cm] and is generally different in different parts of the gap. Although the start of ionization is not a sufficient condition for the breakdown of an uneven gap, uneven gaps may tend to break down in voltages smaller than that required for the breakdown of a homogeneous gap and the breakdown takes place in three stages: the stage of the first corona, the stage of the subsequent coronas during which a first corona elongates and the final jump. The experimental procedure was carried out in the High-Voltage Laboratory of the University of Patras and the three types of gaps (figures 1, 2, 3) that were used for the experiments are: Figure 1. Rod – Plane gap Figure 2. Rod – Sphere gap Figure 3. Sphere – Sphere gap the rod-plane gap with a gap distance d = 25cm (a 15° cone-terminated rod), the rod-sphere gap with gap distance d = 9.5cm and diameter of sphere D = 10cm (a hemisphere r=5mm terminated rod) and the sphere-sphere gap with a gap between the spheres of d = 3cm and diameter of spheres D = 10cm. To carry out the procedure, resistances of various laboratory values were put in the impulse generator. After the change of the front resistance and tail resistance of the generator, we changed the front time Tcr and time the tail time Tq respectively of the received impulse voltage. Thus, making measurements for each impulse voltage over each gap, we extrapolated different breakdown voltages, corresponding to the probability of breaking down. The breakdown voltages generated were standardized with correction factors for air humidity and density, i.e. values were reduced to normal conditions. Subsequently, by drawing lines on normal distribution sheets, always according to the corrected experimental points, we derived a first approximation of the value of voltage U50% and standard deviation σ. These values were used as starting values in a program using the FORTRAN programming language, which implemented the method of maximum likelihood, to more accurately obtain the value of the breakdown voltage U50%, the standard deviation σ and limits of their reliability. The final values of the breakdown voltage and the standard deviation, resulting from the implementation of our program, were grouped in tables and, using the OriginPro 8, we derived the final charts that helped us to draw conclusions by means of appropriate comparisons. By observing the diagrams, we saw that the breakdown voltage U50% for all three gaps reduces as the front time Tcr of the imposed impulse voltage increases. Therefore, the impulse voltages that have a long front time cause more severe stress on our gaps than those with a short duration and the corresponding air gaps stressed with these break down with a smaller voltage value. For the rod-plane gap, the margin of values from the voltage in which the probability of breakdown is almost zero P≈0% until the voltage where the probability of breakdown is certain, P100%, is greater in relation to the corresponding margin of values for the rod-sphere gap, which in turn is larger than that of the sphere-sphere gap. We also concluded that the rod-plane gap presents a lower mean breaking down strength in kV/cm, followed by the rod-sphere gap. The sphere-sphere gap has the greatest mean breaking down strength in kV/cm than this of the other two. It is thus the most difficult to break down, with its strength rendering it very important. Finally, the length of the gap affects the breakdown voltage and, in fact, the larger the length of the gap, the greater, respectively, its breakdown voltage, with these two values being proportionate.

Η ευρεία χρήση του ηλεκτρισμού και η συνεχής αύξηση των μεγεθών μεταφοράς και διανομής της υψηλής τάσης αναγκάζει τον επιστημονικό κόσμο να επενδύσει στην κατανόηση της συμπεριφοράς των ατμοσφαιρικών υπερτάσεων δηλαδή των κρουστικών τάσεων κεραυνών, και των εσωτερικών υπερτάσεων όπως των κρουστικών τάσεων χειρισμών όπως και της συμπεριφοράς του εξοπλισμού των υψηλών τάσεων. Είναι αναγκαία επίσης η κατανόηση της αλληλεπίδρασης των πιο πάνω για σκοπούς βελτίωσης της ασφάλειας και της αξιοπιστίας του εξοπλισμού των υψηλών τάσεων. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του κατά πόσον τα χρονικά χαρακτηριστικά των κρουστικών τάσεων μπορούν να επιδράσουν στη τάση διάσπασης των διακένων αέρα και γενικότερα στην συμπεριφορά τους. Έτσι αναζητείται η τάση διάσπασης του διακένου αέρα τόσο ποσοτικά (μεταβολή στο μέγεθος) όσο και ποιοτικά (μεταβολή των στατιστικών χαρακτηριστικών). Η διπλωματική εργασία τούτη αποτελεί μια συνεισφορά στην διεθνή ερευνητική προσπάθεια που γίνεται πάνω στο αντικείμενο συλλογής πληροφοριών και εξαγωγής συμπερασμάτων για τα διάφορα είδη κρουστικών τάσεων σε συνδυασμό με τα διάκενα αέρα. Αρχικά παρατίθενται μια θεωρητική ανασκόπηση βασιζόμενη στην διεθνή βιβλιογραφία που αφορά τα κυκλώματα παραγωγής κρουστικών τάσεων στο εργαστήριο. Σκοπός τούτου είναι η αποσαφήνιση του τρόπου παραγωγής των κρουστικών τάσεων στο εργαστήριο με πρωτοβάθμιες, δευτεροβάθμιες και πολυβάθμιες κρουστικές γεννήτριες. Επίσης παρουσιάζεται ένα θεωρητικό μοντέλο υπολογισμού των αναμενόμενων κρουστικών τάσεων μιας δευτεροβάθμιας κρουστικής γεννήτριας του οποίου τα αποτελέσματα παρουσιάζονται. Στη συνέχεια παρατίθεται μια θεωρητική ανασκόπηση που αφορά τα διάκενα αέρα, τους μηχανισμούς διάσπασης τους, τον τρόπο ανάλυσης των πειραματικών αποτελεσμάτων και την επίδραση που έχουν στην διάσπαση των διακένων αέρα οι ατμοσφαιρικές συνθήκες. Όλα τα παραπάνω έχουν σκοπό να αποσαφηνίσουν τους παράγοντες που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής ώστε να εξασφαλιστούν τα πλέον αξιόπιστα πειραματικά αποτελέσματα, καθώς και η δημιουργία μιας βάσης θεωρητικών δεδομένων που θα βοηθήσουν στην αξιοποίηση των πειραματικών μετρήσεων. Για την διεξαγωγή της πειραματικής διαδικασίας χρησιμοποιήθηκε η γεννήτρια κρουστικών τάσεων Multi test set της εταιρείας Haefely, κομμάτι του ηλεκτρομηχανικού εξοπλισμού του εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων. Με αυτήν την γεννήτρια παρήχθησαν κρουστικές τάσεις τάξης μεγέθους 100 kV και ένα πλήθος τύπων κρουστικών τάσεων ως προς τα χρονικά χαρακτηριστικά ουράς και μετώπου τα οποία παρήχθησαν με συνδυασμό των αντιστάσεων μετώπου R2 με τις αντιστάσεις ουράς R1. Μέσω κατάλληλου κρουστικού βολτομέτρου και με ψηφιακό παλμογράφο έγιναν οι μετρήσεις αυτών των τάσεων και η αποτύπωση των κυματομορφών τους. Τα διάκενα αέρα τα οποία καταπονήθηκαν σε αυτές τις κρουστικές τάσεις είναι: Σφαίρα-Σφαίρα, Ακίδα-Σφαίρα, Ακίδα-Ακίδα. Για τον υπολογισμό της τάσης διάσπασης U50% λήφθησαν για κάθε περίπτωση 3 έως 4 σετ των 30 έως 50 μετρήσεων. Τα συνολικά αποτελέσματα και η διαγραμματική τους απεικόνιση με τις απαραίτητες επ’αυτών παρατηρήσεις, ενσωματώνονται στην εργασία και βασιζόμενη σε αυτά ακολουθεί η απαραίτητη συμπερασματολογία. Το αποτέλεσμα αυτής της εργασίας ήταν η διαπίστωση θεωρητικά και πειραματικά του τρόπου επίδρασης των κατασκευαστικών στοιχείων της γεννήτριας στα χρονικά χαρακτηριστικά των παραγόμενων κρουστικών τάσεων. Επίσης διαπιστώθηκε ότι η προσθήκη των συγκεκριμένων διακένων αέρα έχει σαν αποτέλεσμα μικρή αύξηση των χρονικών χαρακτηριστικών της κρουστικής τάσεως (χρόνου ουράς και μετώπου) τάξεως του 2-3%. Το βασικό συμπέρασμα όμως είναι ότι τα χρονικά χαρακτηριστικά των κρουστικών τάσεων παίζουν καθοριστικό ρόλο στην τάση διάσπασης U50% των διακένων αέρα. Συγκεκριμένα για γρήγορους χρόνους μετώπου η τάση διάσπασης U50% βρίσκεται στο χαμηλό επίπεδο και αυξάνεται απότομα για μεγαλύτερους χρόνους μετώπου Τ1 και αποτελεί την μέγιστη τάση διάσπασης. Στη συνέχεια με την αύξηση των χρόνων μετώπου η τάση διάσπασης U50% μειώνεται. Η επίδραση των χρόνων ουράς είναι ότι καθώς αυξάνονται μειώνουν την τάση διάσπασης U50%. / The worldwide use of electricity and the continuous increase of demand in the distribution of high voltage, has forced the entire scientific community to turn and invest to the study and understanding the behavior of atmospheric surge phenomenon such as thunder, lighting, impulse voltage, and the internal over voltages such as switching voltages. It is considered essential to investigate the response and behavior of the high voltage equipment. The challenging part is to gain the knowledge on how these interact with each other, in order to improve the security and reliability of high voltage machines. The aim of this thesis is to investigate whether the time variant characteristics of the impulse voltages can affect the degradation behavior of air discharge. Our target is to discover the chopping voltage of air gaps in actual number but also to find out the variation of its statistical characteristics. This paper will contribute to the international research effort of collect information and extracting results for the various types of impulse voltage combined with air gaps. Initially we present a theoretical approach based on the international bibliography concerning the circuits that create impulse voltages in a laboratory environment. Our aim is to clarify the way impulse voltages are produced in the laboratory, from singlestage, two-stage and multi-stage impulse generators. Furthermore, we present a theoretical model for calculating the impulse voltage created by a two-stage impulse generator. All these results are also included in our paper. Next, we complete our overview by presenting the air discharge phenomena, analysis methods used to investigate experimental result and the overall effect of atmospheric conditions on air discharge splitting. All these aim to clarify the factors which need to be taken into consideration in order to secure reliable experimental results but also a more complete database of the theoretical data that can be utilised in more advanced experimental methods. In order to complete our experiments we used the Multi test set impulse voltage generator, produced by Haefely Company and is a part of high Voltage laboratory equipment. With the help of this generator we managed to produce a number of impulse voltages of size 100 kV, and various types of impulse voltages using the time variant characteristics connecting together tail and head resistors R2 and R1 respectively. Using a suitable impulse voltage meter and a digital oscilloscope we managed to measure these voltages and create a graphical representation of their waveforms. The air-gaps created from these voltages are: Sphere-Sphere, Spike- Sphere, Spike-Spike. In order to calculate the chopping voltage U50% we collected 3 to 4 set consisted of 30-50 measurements. The overall results and their diagram presentation followed by relevant conclusions are included in this paper. Based on these we were able to draw all necessary conclusions. On this paper we managed to extract theoretically and experimentally how all constructional elements of the generator affect the time variant characteristics of the impulse voltages created. We also concluded that adding specific air gaps will result to a slight increase of the time variant characteristic of the impulse voltage (frontwave and tail-wave duration) by 1%-3%.The main conclusion was that the time variant characteristics of impulse voltages play a decisive role in the chopping voltage U50% of air gaps. More specifically, for short-duration of wave-front T1 the chopping voltage U50% lays on the lower level whereas it automatically increases for bigger duration Τ1 and this is our higher chopping voltage. Then the chopping voltage U50% is reduced by increasing the duration of wave-front T1. Also the increase of wave-tail duration results to a reduction of chopping voltage U50%.

Materials, Processes, and Characterization of Extended Air-gaps for the Intra-level Interconnection of Integrated Circuits Seongho Park 157 pages Directed by Dr. Paul A. Kohl and Dr. Sue Ann Bidstrup Allen The integration of an air-gap as an ultra low dielectric constant material in an intra-metal dielectric region of interconnect structure in integrated circuits was investigated in terms of material properties of a thermally decomposable sacrificial polymer, fabrication processes and electrical performance. Extension of the air-gap into the inter-layer dielectric region reduces the interconnect capacitance. In order to enhance the hardness of a polymer for the better process reliabilities, a conventional norbornene-based sacrificial polymer was electron-beam irradiated. Although the hardness of the polymer increased, the thermal properties degraded. A new high modulus tetracyclododecene-based sacrificial polymer was characterized and compared to the norbornene-based polymer in terms of hardness, process reliability and thermal properties. The tetracyclododecene-based polymer was harder and showed better process reliability than the norbornene-based sacrificial polymer. Using the tetracyclododecene-based sacrificial polymer, a single layer Cu/air-gap and extended Cu/air-gap structures were fabricated. The effective dielectric constant of the air-gap and extended air-gap structures were 2.42 and 2.17, respectively. This meets the requirements for the 32 nm node. Moisture uptake of the extended Cu/air-gap structure increased the effective dielectric constant. The exposure of the structure to hexamethyldisilazane vapor removed the absorbed moisture and changed the structure hydrophobic, improving the integration reliability. The integration processes of the air-gap and the extended air-gap into a dual damascene Cu metallization process has been proposed compared to state-of-the-art integration approaches.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την επίδραση που επιφέρουν στην τάση διάσπασης διακένου αέρα, διάφορα μονωτικά φύλλα (διαφράγματα) τοποθετούμενα κάθετα προς τον κεντρικό άξονα μεταξύ της διάταξης των ηλεκτροδίων του διακένου και σε διαφορετικές θέσεις μεταξύ της απόστασης αυτών. Η διερεύνηση της επίδρασης των διαφραγμάτων στην διηλεκτρική συμπεριφορά των διακένων είναι γνωστή γενικά και ως το Φαινόμενο του Διαφράγματος (Barrier Effect). Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την εκπόνηση της παρούσας εργασίας ήταν διάκενο αέρα ακίδας-πλάκας μήκους 6 cm, και στο ενδιάμεσο των ηλεκτροδίων τοποθετήθηκε το διάφραγμα (Σχήμα 1). Σχήμα 1) Διάταξη διακένου ακίδας-πλακάς με διάφραγμα. Χρησιμοποιήθηκαν 3 διαφορετικά υλικά ως διαφράγματα, ως προς το πάχος τους, με αποτέλεσμα τα σύνθετα διάκενα αέρα-διηλεκτρικού που προκύπτουν να είναι τα εξής: 1) Διάκενο αέρα “ακίδας-πλάκας” με διάφραγμα πάχους 0,2 mm. 2) Διάκενο αέρα “ακίδας-πλάκας” με διάφραγμα πάχους 0,19 mm. 3) Διάκενο αέρα “ακίδας-πλάκας” με διάφραγμα πάχους 0,125 mm. Η καταπόνηση του κάθε σύνθετου διακένου αέρα-διηλεκτρικού έγινε με θετικές κρουστικές τάσεις χειρισμών υπό ατμοσφαιρική πίεση. Για το διάκενο αέρα “ακίδας-πλάκας” μήκους 6 cm με διαφράγματα polyfilm πάχους 0,125 mm και 0,19 mm, διερευνήθηκε η συμπεριφορά αυτών για τρείς διαφορετικές θέσεις ξ=x/D, του διαφράγματος στο διάκενο (x=1, x=2, x=3) και με δύο διαφορετικές περιπτώσεις καταπόνησης για την κάθε θέση ξ του διαφράγματος στο διάκενο. Στην πρώτη περίπτωση το διάφραγμα διατηρήθηκε το ίδιο για κάθε στάθμη τάσεως καταπόνησης του και στη δεύτερη άλλαζε για κάθε στάθμη. Για το διάκενο αέρα “ακίδας-πλάκας” με διαφράγματα τύπου nomex πάχους 0,2 mm, διερευνήθηκε η συμπεριφορά του για έξι διαφορετικές θέσεις ξ του διαφράγματος στο διάκενο. / The aim of this thesis is to investigate the effect of different insulation materials (barriers) into the breakdown voltage of air-gaps, created by two electrodes. The barrier is placed between these electrodes and crosses their central axes perpendicularly, at various locations along this axes. The system used for this work was an air-gap ‘’needle-plate’’, which had a width of 6cm and a barrier placed between the electrodes (figure1). Figure 1) Schematic diagram of ‘’needle-plate’’ air gap with barrier. There were 3 barriers used,of different thicknesses. The resulting air-dielectric gaps formed are as follows: 1) needle plate air-gap, with a 2mm thick barrier. 2) needle plate air-gap, with a 0,19 mm thick barrier. 3) needle plate air-gap, with a 0,125 mm thick barrier. The stress of each air-dielectric gap composite was accomplished using positively impulsed voltage, at atmospheric pressure. In the 6cm wide air gap of the needle plate, a polyfilm barrier was used with a thickness of 0.125 or 0.19mm. The barrier was placed at three different positions between the plates (ξ=x/d; x=1,2,3). At each location, two cases were investigated: 1) the same barrier was kept still and a voltage of various levels was applied and 2) the barrier was varied at each different level of voltage applied. The behaviour/response/efficiency of the air gap needle plate, having a nomex type barrier of 0.2 mm thickness, was investigated, when the barrier was placed at 6 different locations, ξ, between the electrodes.

Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι η διερεύνηση της συμπεριφοράς ενός συγκεκριμένου είδους φυτικού έλαιου που καταπονείται εντός διακένου, υπό αυξανόμενη AC τάση. Αναζητούμε, λοιπόν, την επίδραση του μονωτικού ελαίου στην τάση διάσπασης καθώς μεταβάλουμε τους διάφορους παράγοντες από οποίους εξαρτάται (π.χ. το μέγεθος διακένου, το ρυθμό φραμμικής αύξησης της τάσης {kVrms/sec}, τη θερμοκρασία, το χρόνο χαλάρωσης του υγρού μεταξύ δύο διαδοχικές μετρήσεις, την επίδραση των φυσαλίων στην μονωτική συμπεριφορά του ελαίου, κ.α.). Η διπλωματική εργασία τούτη αποτελεί μια συνεισφορά στη διεθνή ερευνητική προσπάθεια που γίνεται πάνω στο αντικείμενο της συλλογής πληροφοριών και εξαγωγής συμπερασμάτων για τη συμπεριφορά και τις ιδιότητες (ηλεκτρικές, μηχανικές, χημικές) διαφόρων τύπων σύνθετων μονώσεων. Ιδιαίτερα χρήσιμη αποσκοπεί να είναι στις διεθνείς προσπάθειες βελτίωσης των επιδόσεων και της αξιοπιστίας – με ταυτόχρονη διατήρηση ή και ελάττωση του μεγέθους των σχεδιαζόμενων μονωτικών διατάξεων – για Μετασχηματιστές Υψηλής Τάσης, που αποτελούν το κυρίαρχο μέσο στα παγκόσμια δίκτυα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. / This diploma thesis aims to the examination of the “behavior” of specific plant oil that is worn out within interspace under linearly increased AC voltage. So we search out the effect of the insulating oil on the voltage decomposition, as we alter the numerous factors on which it depends (the size of interspace, the rate of the voltage’s linear increase {kVrms/sec}, the temperature, the liquid’s relaxation time between two successional counts, the effect of bubbles on the oil’s insulating behavior etc).

Σε ένα διάκενο που αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο υψηλής τάσεως πλαισιωμένο από έναν αριθμό γειωμένων αγωγών, η κατάληξη μίας εκκένωσης σε ένα συγκεκριμένο σημείο έχει μια στοχαστική εξάρτηση από τη γενική διαμόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου που επικρατεί στο διάκενο. Η λέξη «στοχαστική» έχει την έννοια ότι πρακτικά οποιοδήποτε γειωμένο σημείο μέσα στο διάκενο κατέχει μία πιθανότητα να δεχθεί την εκκένωση, αλλά αυτή η πιθανότητα μπορεί να είναι διαφορετική για τα διάφορα σημεία. Επιπλέον, αν το διάκενο αποτελείται από περισσότερα από ένα διηλεκτρικά, το σημείο κατάληξης της εκκένωσης, όπως και οι παράμετροι της διάσπασης, επηρεάζονται από την παρουσία και τα ηλεκτρικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά των διηλεκτρικών αυτών. Σε ένα απλό διάκενο ακίδας-πλάκας με αέρα, τα σημεία κατάληξης όλων των εκκενώσεων είναι συγκεντρωμένα γύρω από το ίχνος του άξονα της ακίδας, που είναι η θέση της μέγιστης πιθανότητας. Η πιθανότητα μία εκκένωση να καταλήξει σε μία συγκεκριμένη θέση του επιπέδου, διαφορετική από τον άξονα της εκκένωσης, μειώνεται όσο μεγαλώνει η απόσταση της θέσης αυτής από τον άξονα. Αν ένας γειωμένος αγωγός εισαχθεί στο διάκενο, όπως για παράδειγμα ένας ή περισσότεροι γειωμένοι αγωγοί παράλληλα στο επίπεδο (σχήμα 1), η πιθανότητα μία εκκένωση να καταλήξει, είτε στα σύρματα είτε στο επίπεδο, εξαρτάται από τη συγκεκριμένη θέση των συρμάτων. Αν το διάκενο, εκτός από αέρα, αποτελείται και από ένα άλλο διηλεκτρικό υλικό (π.χ. τσιμέντο με πάχος d3), τα σημεία κατάληξης της εκκένωσης, καθώς και η τάση διάσπασης, εξαρτώνται εξίσου από τις διαστάσεις, την διαμόρφωση του μέρους του διακένου που καταλαμβάνει το συγκεκριμένο διηλεκτρικό και τα διηλεκτρικά του χαρακτηριστικά. Σε ένα διάκενο που αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο υψηλής τάσεως πλαισιωμένο από έναν αριθμό γειωμένων αγωγών, η κατάληξη μίας εκκένωσης σε ένα συγκεκριμένο σημείο έχει μια στοχαστική εξάρτηση από τη γενική διαμόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου που επικρατεί στο διάκενο. Η λέξη «στοχαστική» έχει την έννοια ότι πρακτικά οποιοδήποτε γειωμένο σημείο μέσα στο διάκενο κατέχει μία πιθανότητα να δεχθεί την εκκένωση, αλλά αυτή η πιθανότητα μπορεί να είναι διαφορετική για τα διάφορα σημεία. Επιπλέον, αν το διάκενο αποτελείται από περισσότερα από ένα διηλεκτρικά, το σημείο κατάληξης της εκκένωσης, όπως και οι παράμετροι της διάσπασης, επηρεάζονται από την παρουσία και τα ηλεκτρικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά των διηλεκτρικών αυτών. Σε ένα απλό διάκενο ακίδας-πλάκας με αέρα, τα σημεία κατάληξης όλων των εκκενώσεων είναι συγκεντρωμένα γύρω από το ίχνος του άξονα της ακίδας, που είναι η θέση της μέγιστης πιθανότητας. Η πιθανότητα μία εκκένωση να καταλήξει σε μία συγκεκριμένη θέση του επιπέδου, διαφορετική από τον άξονα της εκκένωσης, μειώνεται όσο μεγαλώνει η απόσταση της θέσης αυτής από τον άξονα. Αν ένας γειωμένος αγωγός εισαχθεί στο διάκενο, όπως για παράδειγμα ένας ή περισσότεροι γειωμένοι αγωγοί παράλληλα στο επίπεδο (σχήμα 1), η πιθανότητα μία εκκένωση να καταλήξει, είτε στα σύρματα είτε στο επίπεδο, εξαρτάται από τη συγκεκριμένη θέση των συρμάτων. Αν το διάκενο, εκτός από αέρα, αποτελείται και από ένα άλλο διηλεκτρικό υλικό (π.χ. τσιμέντο με πάχος d3), τα σημεία κατάληξης της εκκένωσης, καθώς και η τάση διάσπασης, εξαρτώνται εξίσου από τις διαστάσεις, την διαμόρφωση του μέρους του διακένου που καταλαμβάνει το συγκεκριμένο διηλεκτρικό και τα διηλεκτρικά του χαρακτηριστικά. / In a gap that is constituted by a electrode of high tendency a framed from a number of gejwme'nwn conductors, the conclusion of evacuation in concrete point has a meditative dependence from the general configuration of electric field that prevails in the gap. The word "meditative " has the significance that practically anyone gejwme'no point in in the gap possesses a probability to accept the evacuation, but this probability it can be different for the various points. Moreover, if the gap is constituted from more from the one dielectric, point of conclusion of evacuation, as the parameters of split, are influenced by the presence and electric and gewmetrjka' characteristically the dielectric these. In a simple gap of spike-plate with air, the points of conclusion of all evacuations are assembled round the trace of axis of spike, that is the place of biggest probability. The probability a evacuation it leads to a concrete place of level, different from the axis of evacuation, is decreased as long as grows the distance of this place from the axis. If a gejwme'nos driver is imported in the gap, as for example one or more gejwme'noj drivers at the same time in the level (form 1), the probability a evacuation it leads, or to the wires or to the level, it depends from the particular place of wires. If the gap, apart from air, is also constituted by a other dielectric material (eg cement with thickness d3), the points of conclusion of evacuation, as well as the tendency of split, they depend equally from dimensions, the configuration of part of gap that occupies concrete dielectric and dielectric characteristically. In a gap that is constituted by a electrode of high tendency a framed from a number of gejwme'nwn conductors, the conclusion of evacuation in concrete point has a meditative dependence from the general configuration of electric field that prevails in the gap. The word "meditative " has the significance that practically anyone gejwme'no point in in the gap possesses a probability to accept the evacuation, but this probability it can be different for the various points. Moreover, if the gap is constituted from more from the one dielectric, point of conclusion of evacuation, as the parameters of split, are influenced by the presence and electric and gewmetrjka' characteristically the dielectric these. In a simple gap of spike-plate with air, the points of conclusion of all evacuations are assembled round the trace of axis of spike, that is the place of biggest probability. The probability a evacuation it leads to a concrete place of level, different from the axis of evacuation, is decreased as long as grows the distance of this place from the axis. If a gejwme'nos driver is imported in the gap, as for example one or more gejwme'noj drivers at the same time in the level (form 1), the probability a evacuation it leads, or to the wires or to the level, it depends from the particular place of wires. If the gap, apart from air, is also constituted by a other dielectric material (eg cement with thickness d3), the points of conclusion of evacuation, as well as the tendency of split, they depend equally from dimensions, the configuration of part of gap that occupies concrete dielectric and dielectric characteristically.

Τα νευρωνικά δίκτυα αποτελούν έναν σχετικά νέο επιστημονικό χώρο, καθώς η ανάπτυξή τους έχει λάβει χώρα κυρίως τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο τα επιτεύγματα που έχουν σημειωθεί με τη χρήση τους, όσο και η ολοένα αυξανόμενη ενασχόληση της επιστημονικής κοινότητας με αυτά, δικαιολογούν γιατί είναι ένας τομέας που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ο όρος «Τεχνητό Νευρωνικό Δίκτυο» (ΤΝΔ) ή απλά Νευρωνικό Δίκτυο αναφέρεται σε ένα μαθηματικό μοντέλο που συνίσταται από απλά στοιχεία τα οποία λειτουργούν διατεταγμένα παράλληλα και καλούνται νευρώνες. Η σύλληψη αυτών των στοιχείων έχει εμπνευστεί από τα βιολογικά νευρικά συστήματα. Ωστόσο τα νευρωνικά δίκτυα έχουν πλέον αποκοπεί τελείως απ’την βιολογία και σήμερα χρησιμοποιούνται για την επίλυση κάθε είδους προβλήματος με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η χρήση νευρωνικών δικτύων για την εκτίμηση της τάσης διάσπασης σε μονωτικά διάκενα αέρα. Με τον όρο «μόνωση» εννοούμε τα μέτρα που λαμβάνονται για να προσδώσουν σε μία διάταξη ή συσκευή την ικανότητα να αντέχει ορισμένες διηλεκτρικές καταπονήσεις. Αυτές προέρχονται είτε από τις τάσεις που αναπτύσσονται κατά την λειτουργία της ανάμεσα στα διάφορα στοιχεία της, είτε ανάμεσα σε στοιχεία της και στοιχεία κάποιας άλλης συσκευής ή την γή. Διηλεκτρική αντοχή μιας μόνωσης καλείται η ικανότητά της να αντέχει μια ορισμένη ηλεκτρική καταπόνηση χωρίς την μόνιμη ή πρόσκαιρη καταστροφή της. Ο αέρας αποτελεί επανορθούμενο υλικό, που σημαίνει ότι μετά από μία διάσπαση ανακτά όλα τα χαρακτηριστικά που είχε πρίν απ’αυτή. Η μόνωση αέρα είναι κατ’εξοχήν εξωτερική μόνωση και συναντάται σε διάφορες διατάξεις υψηλών τάσεων, όπως π.χ. η μόνωση του ζυγού και η μόνωση κατά μήκος της επιφάνειας του μονωτήρα. Η διηλεκτρική διάσπαση ενός διακένου αέρα καθορίζεται από ένα σύνολο παραμέτρων, πιο σημαντικές από τις οποίες θεωρούνται το μήκος και η γεωμετρία του διακένου, η πολικότητα, το εύρος και η μορφή της κρουστικής καταπόνησης, καθώς και η θερμοκρασία, η πυκνότητα και η υγρασία του αέρα. Επομένως το ζητούμενο ήταν να υλοποιηθεί ένα νευρωνικό δίκτυο το οποίο να μπορεί να μάθει την συσχέτιση μεταξύ της τάσης διάσπασης και των παραμέτρων που την καθορίζουν. Η αρχιτεκτονική δικτύου που υιοθετήθηκε είναι ένα νευρωνικό δίκτυο δύο στρωμάτων εμπρόσθιας τροφοδότησης που εκπαιδεύεται με την μέθοδο της οπισθοδιάδοσης του λάθους. Ως σιγμοειδής συνάρτηση μεταφοράς στο κρυμμένο στρώμα χρησιμοποιήθηκε η υπερβολική εφαπτομένη f(x)=tanhx, ενώ ως γραμμική συνάρτηση μεταφοράς στο στρώμα εξόδου χρησιμοποιήθηκε η ταυτοτική συνάρτηση f(x)=x. Η τοπολογία αυτή είναι η πιο διαδεδομένη για τέτοιου είδους εφαρμογές. Η συλλογή των δεδομένων που καθόρισαν το πρόβλημα, δηλαδή τα διανύσματα εισόδου και εξόδου, έγινε από ένα σύνολο πειραματικών μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο, για διάκενα διάταξης Ακίδα-Πλάκα και Ράβδος-Πλάκα. Σε προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab (έκδοση R2008b), και συγκεκριμένα με χρήση του Neural Network Toolbox™ 6, αρχικά δημιουργήθηκε ένα νευρωνικό δίκτυο το οποίο δεν λάβαινε υπόψη του τις παραμέτρους που αφορούν στην γεωμετρία του διακένου. Το διάνυσμα εισόδου αποτελούνταν από 6 στοιχεία, τα οποία ήταν το μήκος του διακένου, η διάρκεια μετώπου και η διάρκεια ουράς της κρουστικής καταπόνησης, η θερμοκρασία, η ατμοσφαιρική πίεση και η υγρασία του αέρα. Το διάνυσμα της επιθυμητής εξόδου (ή αλλιώς στόχος) αποτελούνταν από μία τιμή για την τάση διάσπασης. Η εκπαίδευση του δικτύου πραγματοποιήθηκε με την χρήση του αλγόριθμου Levenberg-Marquardt. Για την διάταξη Ακίδα-Πλάκα χρησιμοποιήθηκε ένα σύνολο 70 μετρήσεων, ενώ για την διάταξη Ράβδος-Πλάκα ένα σύνολο 66 μετρήσεων. Έπειτα δόθηκε ως είσοδος στο εκπαιδευμένο δίκτυο η μήτρα εισόδου του προτύπου εκπαίδευσης. Οι ιδανικές αποκρίσεις σε αυτές τις εισόδους ήταν οι στόχοι, οπότε οι αποκρίσεις του δικτύου συγκρίθικαν με τους αντίστοιχους προς αυτές στόχους, δηλαδή τις πειραματικές τιμές για την τάση διάσπασης. Επιπλέον με χρήση του Microsoft Excel τοποθετήθηκαν σε διαγράμματα οι τιμές των στόχων και των αποκρίσεων του δικτύου συναρτήσει του μήκους διακένου ανάλογα με την μορφή της κρουστικής καταπόνησης. Η ίδια διαδικασία επαναλήφθηκε και για ένα νευρωνικό δίκτυο που λαμβάνει υπόψη του την γεωμετρία του διακένου. Για την διάταξη Ακίδα-Πλάκα στις προαναφερθείσες παραμέτρους του διανύσματος εισόδου προστέθηκαν η διάμετρος της ράβδου, το εμβαδόν της πλάκας, η ακτίνα καμπυλότητας και η γωνία του κώνου απόληξης. Αυτή τη φορά δηλαδή το διάνυσμα εισόδου αποτελούνταν από 10 στοιχεία. Για την διάταξη Ράβδος-Πλάκα το διάνυσμα εισόδου αποτελούνταν από 9 στοιχεία, αφού η ακτίνα καμπυλότητας και η γωνία του κώνου απόληξης της προηγούμενης περίπτωσης αντικαθίστανται από την ακτίνα της ημισφαιρικής απόληξης. Και για τις δύο διατάξεις το διάνυσμα στόχων αποτελούνταν από ένα στοιχείο, την τάση διάσπασης. Τα αποτελέσματα κρίνονται ικανοποιητικά, καθώς οι αποκλίσεις των αποκρίσεων του δικτύου από τις πειραματικές τιμές της τάσης διάσπασης κυμαίνονται σε αποδεκτά επίπεδα. Επομένως αποδείχθηκε ότι το εκπαιδευμένο νευρωνικό δίκτυο μπορεί να πραγματοποιήσει αξιόπιστες εκτιμήσεις για την τιμή της τάσης διάσπασης ενός μονωτικού διακένου αέρα. Ωστόσο το διάνυσμα εισόδου που δέχεται το δίκτυο θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από τις ίδιες παραμέτρους όπως και το διάνυσμα εισόδου του προτύπου εκπαίδευσης. / Neural networks are a relatively recent scientific field, since they have mainly been developed during the last decades. There is a large interest in them, as shown by the achievements produced by their use and the rapidly growing involvement of variable scientific fields with them. The term “Artificial Neural Network” or simply “Neural Network” refers to a mathematical model being composed of simple elements which are called neurons and operate in parallel. These elements are inspired by biological nervous systems. However, Neural Networks are no longer related to biology and are nowadays being used for solving problems of any kind with the use of a computer. This paper aimed to apply Neural Networks in a way suitable for the evaluation of the breakdown voltage in insulating air gaps. Here the term “insulation” refers to any installation used to set a device capable of taking a certain amount of dielectric stress. This stress to which the device is subjected may derive from a voltage developed between the operating device’s parts, or between its parts and some other device’s parts or the ground. The dielectric endurance of an insulation expresses its ability to take a dielectric stress without being either permanently or temporarily damaged. The air is a retrievable insulating material, which means that after it has been discharged, all its characteristics are regained. The air is being widely used in external insulation installations in many High Voltage devices or parts, such as a bus insulation in a substation or the insulation along an insulator’s surface. The electric discharge of an air gap is determined by a set of parameters, the most important of them being the gap’s length and overall geometry, the polarity, width and form of the imposed impulse voltage, and the air’s temperature, pressure and humidity. The purpose of this essay was the creation of a Neural Network, which would be able to learn the correlation between the breakdown voltage of an air gap (Target) and the parameters that define its value (Inputs). The network architecture used was a two-layer feedforward backpropagation network, with the hyperbolic tangent sigmoid transfer function f(x)=tanhx in the hidden layer and the linear transfer function f(x)=x in the output layer. This network architecture is considered the most appropriate one for such applications, that is function approximation. The data that defined the problem, that is the Input and Target vectors, were assembled from a set of measurements that were made during an experimental procedure carried out in the High-Voltage laboratory of the University of Patras. The type of the air gap that was used for the experiments was a rod-plane gap, with either a cone-terminated or a hemisphere-terminated rod. At first, using the Matlab (R2008b edition) Neural Network Toolbox™ 6, a neural network that didn’t take into account the parameters regarding the gap’s geometry was created. The Input vector consisted of 6 elements, them being the gap length, the wave-front and wave-tail duration of the imposed impulse voltage, and the air temperature, pressure and humidity. The Target vector consisted of one value for the breakdown voltage. The network’s training was performed by the the Levenberg-Marquardt algorithm. For the cone-terminated rod-plane gap a set of 70 measurements was used, while for the hemisphere-terminated gap a set of 66 measurements. Then the original Inputs matrix was applied to the trained network. The desired network response (called Outputs) to these inputs is the Targets matrix, so the Outputs were compared to their corresponding Targets (lab measured breakdown voltage values). After that, using the Microsoft Excel the Targets and Outputs values were placed at diagrams (Y-Axis),diversified according to the received voltage form and associated to the gap length values (X –Axis). The same procedure was later repeated for a neural network that takes into consideration the parameters describing the gap’s geometry. Regarding the cone-terminated rod-plane gap, apart from the previously mentioned input parameters, the Input vector would also comprise the rod’s diameter, the plane’s surface,and the cone’s angle and radius of curvature. So,this time the Input vector would consist of 10 elements. Regarding the hemisphere-terminated rod-plane gap the Input vector consisted of 9 elements, given that the cone’s angle and radius of curvature were replaced by the hemisphere’s radius. In both occasions the Targets vector comprised one element, that being the breakdown voltage. The results are viewed as satisfactory, given that the deviations between the networks’s responses (Outputs) and the measured values of the breakdown voltage (Targets) are considered acceptable. Therefore, it has been proved that a well trained neural network is able of reliably estimating the value of an air gap’s breakdown voltage. Nevertheless, the network’s Inputs vector must comprise the same parameters as the original Inputs vector used for the network’s training.

Face aux enjeux énergétiques actuels, l’électronique de puissance est un domaine de recherche de premier plan. La relative fragilité des composants présents dans les chaînes de conversion implique néanmoins de devoir prendre en compte la gestion des défaillances dès la phase de conception. La défaillance d'un composant est une situation hautement critique tant sur le plan de la sécurité environnante que sur le plan de l'indisponibilité du système qui en découle. Cette problématique de sûreté de fonctionnement constitue la ligne directive de ce travail de thèse, visant à imaginer, et concevoir des solutions permettant de sécuriser ces structures en présence de défauts. Dans cette thèse, nous étudions de nouveaux composants magnétiques offrant un excellent compromis entre la densité de puissance traitée et rendement de conversion, mais très sensibles à toutes perturbations électriques. Une méthode de pré-dimensionnement des composants magnétiques a été développée et des solutions ont été apportés pour sécuriser et maintenir le fonctionnement de la chaîne de conversion suite à l’apparition de plusieurs défauts. / In the research field, power electronics is an important issue in the actual energy challenges. Nowadays, new converters, called « multilevel or multicell converters », are used in many applications requiring high-current with high-power density. This is due to their high frequency performances and good waveforms signals. The main advantages of such converters concern the high efficiency and good system integration. Most embedded systems are required to maintain operation even if failures or faults occur. New magnetic devices called InterCell Transformers (ICTs) in multicell converters help to improve the efficiency and compactness. Nevertheless, such magnetic components are inherently sensitive to any impecfection coming from the converter. The goal of this PhD thesis is to bring solutions to make ICTs more fault tolerant. Therefore, a pre-design methodology for a robust ICT is presented in order to maintain the operation after the occurrence of one or several faults. Several solutions are presented and detailled

Für die Menschen zählen Gewitter mit Donner und Blitz zu den ältesten bekannten Phänomenen der Natur. Die Tatsache, dass Blitze dennoch bis heute nicht abschließend erforscht sind, liegt in dem äußerst komplexen, schnellen und stochastischen Verhalten der Blitzentladung begründet. Der Autor befasste sich in Rahmen dieser Arbeit u.a. mit der Entwicklung eines modernen Messsystems, durch das die Erfassung von sowohl elektrischen als auch optischen Parametern der im Nanosekundenbereich ablaufenden Prozesse der Entladungen möglich wurde. Es handelt sich um technisch anspruchsvolle Messungen von hohen Stoßspannungen und schwachen Vorentladungsströmen in einem großen Frequenzbereich. Außerdem gelang es durch eine geschickte Synchronisation, die Entladungsprozesse präzise und erstmalig in einer Fotosequenz aufzunehmen. Auf Grundlage der Messergebnisse konnte der Entladungsprozess in mehrere Phasen der Vorentladung unterteilt und beschrieben werden. Vor allem beweisen die Messergebnisse die Existenz einer kanalartigen Vorentladung, die nicht zwingend zu einem Durchschlag führt. Dieser Mechanismus, der bei langsam ansteigenden Spannungen als stabile Leaderentladung benannt und mit Thermoionisation gekennzeichnet ist, war bei Blitzstoßspannungen bisher umstritten. / The breakdown behavior of long air gaps by Lightning Voltages has been investigated and the results of a new measurement system are reported. A series of up to eight photos (made by a high-speed camera) have recorded the expansion of discharge activities during the breakdown process. The pre-discharge current and voltage have been measured as well. The modern measurement techniques have made possible the synchronization of the photos with the current and voltage measurements in nanosecond-ranges. The combination of the measured current, voltage, and photos can precisely explain the breakdown process. The experiments have been carried out with the lightning impulses up to 2.4 MV and the air gaps up to 4 m. Despite of such high voltages, the experimental system has been verified to be appropriate for measuring the pre-discharge current in mA-ranges.